孔麗麗

(山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 天溪煤制油分公司，山西 晉城 048009)

無(wú)煙煤一直是優(yōu)質(zhì)的煤化工原料，晉煤集團(tuán)的煤炭資源絕大部分為無(wú)煙煤。然而，近年來(lái)由于氣化技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，無(wú)煙煤作為煤化工用煤的優(yōu)質(zhì)煤種的優(yōu)勢(shì)逐漸被削弱[1]，特別是粉煤氣化技術(shù)取得的重大進(jìn)展，使得無(wú)煙煤作為化工用煤的市場(chǎng)進(jìn)一步被壓縮。無(wú)煙煤由于其機(jī)械強(qiáng)度高、變質(zhì)程度高、反應(yīng)活性差等特點(diǎn)，在新型煤氣化領(lǐng)域與其他煤種的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。晉煤集團(tuán)天溪煤制油分公司(簡(jiǎn)稱天溪公司)航天爐全燒高硫、高灰分、高灰熔點(diǎn)(“三高”)劣質(zhì)無(wú)煙煤研究項(xiàng)目就是為晉煤集團(tuán)無(wú)煙煤煤種在新型煤氣化領(lǐng)域的應(yīng)用開辟一條道路。

晉煤集團(tuán)擁有豐富的煤炭資源，是我國(guó)主要的優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤生產(chǎn)基地。但是經(jīng)過六十多年的開采，一些礦區(qū)的優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤已近枯竭，余下大部分可采煤種均為“三高”煤。目前，晉城地區(qū)“三高”煤可采儲(chǔ)量約占總可開采儲(chǔ)量的40%。因此，如何合理利用余煤，將劣質(zhì)煤資源化成為了晉煤集團(tuán)重要的研究課題。

天溪公司航天爐全燒“三高”劣質(zhì)無(wú)煙煤研究項(xiàng)目依托2013年晉煤集團(tuán)啟動(dòng)的天溪公司造氣工藝技術(shù)改造項(xiàng)目，用兩臺(tái)φ3.2 m的航天爐替代天溪公司原有的7 臺(tái)灰熔聚流化床氣化爐。同時(shí)，對(duì)變換系統(tǒng)、低甲系統(tǒng)、空分系統(tǒng)及公用工程進(jìn)行相應(yīng)的配套改造[2-4]。改造后航天爐裝置日處理煤量1 600 t，甲醇產(chǎn)量35萬(wàn)t/a，裝置年運(yùn)行周期330 d。該項(xiàng)目于2012年12月開工建設(shè)，2014 年8月31日基本完工，9月24日第一臺(tái)航天爐正式投料試車運(yùn)行，10月24日第二臺(tái)航天爐投料運(yùn)行，甲醇系統(tǒng)開車運(yùn)行。目前系統(tǒng)已達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能，航天爐系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，已自主進(jìn)行航天爐系統(tǒng)全燒“三高”煤的針對(duì)性改造四十余項(xiàng)，進(jìn)一步提高了裝置產(chǎn)能，延長(zhǎng)了氣化爐的運(yùn)行周期，降低了裝置消耗。

1 航天爐全燒“三高”劣質(zhì)無(wú)煙煤研究項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)

航天爐全燒“三高”劣質(zhì)無(wú)煙煤研究項(xiàng)目的設(shè)計(jì)煤種選取晉煤集團(tuán)鳳凰山礦15號(hào)無(wú)煙煤。該煤種為典型的“三高”無(wú)煙煤，屬國(guó)家環(huán)保限采煤種，其典型的特征值見表1。

表1 鳳凰山礦15號(hào)無(wú)煙煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

航天爐氣化技術(shù)采用典型的粉煤頂噴，氣渣并流，煤氣激冷流程，具有新型粉煤氣化技術(shù)的普遍性[5]。但國(guó)內(nèi)目前在運(yùn)行的航天爐基本采用褐煤或煙煤作為原料，即使使用無(wú)煙煤，也僅僅小比例與褐煤或煙煤進(jìn)行摻燒。部分企業(yè)也進(jìn)行過全燒無(wú)煙煤的試驗(yàn)，但效果均不理想，不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

天溪項(xiàng)目的航天爐裝置針對(duì)“三高”無(wú)煙煤的煤質(zhì)特性，對(duì)氣化系統(tǒng)進(jìn)行了以下針對(duì)性改造：

(1)優(yōu)化了粉煤燒嘴的流場(chǎng)和氣化爐的長(zhǎng)徑比，使得物料返混更充分；

(2)擴(kuò)大了氣化爐渣口，以應(yīng)對(duì)“三高”無(wú)煙煤較高的灰熔點(diǎn)，保證排渣順暢；

(3)放大了排渣及灰水系統(tǒng)部分尺寸，以應(yīng)對(duì)“三高”無(wú)煙煤較高的灰分；

(4)自主優(yōu)化改造易磨損泄漏的部位，大大提高了關(guān)鍵設(shè)備、管道的運(yùn)行周期；

(5)對(duì)工藝運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行大量針對(duì)性的調(diào)整，建立數(shù)據(jù)對(duì)比分析系統(tǒng)，生產(chǎn)消耗明顯降低。

1.1 初始掛渣

航天爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，采用以渣抗渣的方式保護(hù)水冷壁盤管[6]。航天爐初始開車時(shí)，為保證水冷壁在裸壁狀態(tài)下不損壞，均采用灰熔點(diǎn)較低的褐煤進(jìn)行原始掛渣。天溪航天爐裝置在試車投運(yùn)前，設(shè)計(jì)院提供的方案及意見也是采用褐煤進(jìn)行初始掛渣，初始掛渣結(jié)束后再轉(zhuǎn)為使用“三高”無(wú)煙煤進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行。

針對(duì)其他裝置的運(yùn)行工狀，并對(duì)大量煤種進(jìn)行了采樣，通過煤質(zhì)分析比對(duì)(晉煤集團(tuán)的內(nèi)部煤種以及部分褐煤煤種)，分析判斷如按設(shè)計(jì)院的方案進(jìn)行初始掛渣將在投產(chǎn)運(yùn)行后面臨逐步替換渣層的困難，而且周期比較長(zhǎng)，會(huì)直接影響到以后天溪航天爐裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過多方的數(shù)據(jù)論證，對(duì)其他航天爐裝置進(jìn)行了大量調(diào)研，決定采用運(yùn)行煤種——鳳礦高硫末煤進(jìn)行初始掛渣。由于沒有使用無(wú)煙煤初始掛渣的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行了充分的事故預(yù)想，自行制定了詳實(shí)的無(wú)煙煤初始掛渣方案。

2014年9月24日，天溪裝置的航天爐國(guó)內(nèi)首次采用無(wú)煙煤進(jìn)行初始掛渣一次投料掛渣成功。又針對(duì)第一臺(tái)航天爐掛渣密實(shí)度不是很理想的狀況，對(duì)第二臺(tái)航天爐的初始掛渣方案進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，10月24日第二臺(tái)航天爐采用高硫無(wú)煙煤初始掛渣成功。至2020年，兩臺(tái)氣化爐已運(yùn)行近6年，主盤管狀況良好，爐膛溫度平穩(wěn)，爐膛打開觀測(cè)到渣層平滑密實(shí)，掛渣狀況良好。

1.2 磨煤系統(tǒng)

粉煤加壓氣化技術(shù)均需要微米級(jí)的粉煤作為原料，而由于無(wú)煙煤機(jī)械硬度比較高，磨煤系統(tǒng)的運(yùn)行壓力很高，其余裝置在磨無(wú)煙煤時(shí)粉煤粒徑長(zhǎng)期不達(dá)標(biāo)。航天爐對(duì)粉煤粒徑的要求是5～90 μm占比不小于90%。

表2為代表國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的航天爐裝置的典型工況的某航天爐裝置的煤種及可磨性指數(shù)、粒徑指標(biāo)分布關(guān)系。

粉煤粒徑指標(biāo)直接影響到入爐粉煤的比表面積，而比表面積的大小又直接決定了氣化效率的高低[7]。然而，國(guó)內(nèi)的磨煤系統(tǒng)在磨哈氏可磨性指數(shù)較低的無(wú)煙煤時(shí)指標(biāo)迅速下降，且磨機(jī)故障率較高，出力明顯降低。

天溪公司采用的煤種為哈氏可磨性指數(shù)僅為42的典型無(wú)煙煤(由于“三高”無(wú)煙煤較高的灰分，導(dǎo)致其可磨性指數(shù)在無(wú)煙煤中也是最低的[1]，即最難研磨的煤種)，在運(yùn)行之初也面臨與其他裝置的類似問題。經(jīng)過對(duì)運(yùn)行過程的研究，不斷調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)磨煤系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，在保證磨機(jī)設(shè)計(jì)出力的情況下使5～90 μm的粉煤占比穩(wěn)定至75%以上。

主要的設(shè)備改造、運(yùn)行參數(shù)調(diào)整如下：

(1)將磨機(jī)運(yùn)行時(shí)的磨輥加載力提升至9.0～10.0 MPa；

(2)降低磨機(jī)運(yùn)行時(shí)的磨盤床層高度，將磨機(jī)壓差控制至4～5 kPa；

(3)提升磨機(jī)出口旋轉(zhuǎn)分離器轉(zhuǎn)速，控制在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)的80%以上；

(4)降低磨機(jī)運(yùn)行時(shí)的循環(huán)風(fēng)量，風(fēng)量控制在設(shè)計(jì)風(fēng)量的60%；

(5)進(jìn)一步提升磨機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的真空度，控制磨煤系統(tǒng)壓力在-4～-6 kPa；

(6)保證磨機(jī)系統(tǒng)惰性氣體的足量排放，運(yùn)行時(shí)惰氣排放閥閥位開至100%；

(7)強(qiáng)化石子煤排放的規(guī)范管理，不僅保證了石子煤的及時(shí)排出，同時(shí)還不會(huì)因頻繁排放破壞磨機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行；

(8)對(duì)磨煤機(jī)的密封系統(tǒng)進(jìn)行改造，確保石子煤不對(duì)密封組件造成磨損，延長(zhǎng)磨機(jī)運(yùn)行周期。

1.3 氣化系統(tǒng)

全燒無(wú)煙煤時(shí)面臨的主要問題如下：① 爐膛渣層不穩(wěn)定，爐膛溫度波動(dòng)大，嚴(yán)重時(shí)造成破渣機(jī)堵塞而跳車；② 主盤管密度波動(dòng)大，嚴(yán)重時(shí)能降至安全密度(400 kg/m3)以下；③ 渣口壓差波動(dòng)大，嚴(yán)重時(shí)造成渣口堵塞；④ 氣化反應(yīng)不穩(wěn)定，氣化爐壓力波動(dòng)大，產(chǎn)氣量波動(dòng)大。

天溪航天爐裝置充分吸取其他航天爐裝置運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)運(yùn)行思路進(jìn)行了如下調(diào)整：

(1)確保粉煤的供給灰熔點(diǎn)穩(wěn)定，保證石灰石的摻配比例，對(duì)入爐粉煤的灰熔點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)檢測(cè)，以掌握爐況變化的原因；

(2)保證三條粉煤給料管線均勻給料，最大程度地降低物料流場(chǎng)的人為因素影響，保證爐內(nèi)的流場(chǎng)穩(wěn)定；

(3)確保爐內(nèi)反應(yīng)溫度達(dá)到灰渣的熔融溫度，在設(shè)備條件允許的情況下盡可能提升爐內(nèi)的反應(yīng)溫度，保證排渣順暢；

天溪航天爐裝置在確定的調(diào)整思路下，持續(xù)對(duì)航天爐的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。自開車運(yùn)行以來(lái)，爐況優(yōu)化一直在持續(xù)進(jìn)行，爐況得到了很大改善，實(shí)現(xiàn)了裝置的平穩(wěn)高效運(yùn)行。已基本確定的運(yùn)行參數(shù)：

(1)提升運(yùn)行氧煤比，逐步將氧煤比提升至0.90～0.95，確保了爐內(nèi)的反應(yīng)溫度；

(2)嚴(yán)格控制合成氣組分中的CH4含量，控制CH4體積分?jǐn)?shù)50～100 μL/L；

(3)保證主盤管運(yùn)行安全，確定主盤管密度不小于450 kg/m3；

(4)為進(jìn)一步保證設(shè)備安全，將汽包循環(huán)水系統(tǒng)總循環(huán)量提升至640 m3/h；

(5)嚴(yán)格控制三條煤線均勻給煤，給煤最大量差值必須不大于500 kg/h。

1.4 渣水系統(tǒng)

氣化爐的渣水系統(tǒng)為濁環(huán)系統(tǒng)，水質(zhì)的性質(zhì)直接由運(yùn)行煤質(zhì)以及氣化反應(yīng)的程度所決定。天溪項(xiàng)目由于氣化反應(yīng)程度高，灰水指標(biāo)要整體優(yōu)于其他裝置。由于運(yùn)行煤種的特殊性，渣水系統(tǒng)一直處于弱酸性，渣水系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，但由于入爐煤中的灰分很高(是其他運(yùn)行煤種的2～3倍)，長(zhǎng)周期運(yùn)行受到一定限制。針對(duì)以上問題進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化。

(1)系統(tǒng)水呈弱酸性，pH最低下降至5.5，呈腐蝕傾向，判斷為兩級(jí)閃蒸的閃蒸能力不足所造成。對(duì)高閃閃蒸槽進(jìn)行了改造，擴(kuò)大了布水板孔眼的孔隙，同時(shí)調(diào)整高閃內(nèi)部去真閃回水管在設(shè)備內(nèi)的距離，對(duì)影響閃蒸效果的運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，對(duì)閃蒸放空系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造。同時(shí)，通過在氣化爐激冷室內(nèi)部的排水管線增加汽/水分離裝置，減少進(jìn)入閃蒸系統(tǒng)的煤氣夾帶量，降低閃蒸系統(tǒng)的負(fù)荷。通過改造，增強(qiáng)了兩級(jí)閃蒸的閃蒸效率，降低了灰水中的酸度，將pH控制在6.5～7.0。

(2)對(duì)灰水進(jìn)行了全面的腐蝕測(cè)定、分析，確定了pH控制的目標(biāo)值為6.5～7.0，經(jīng)分析，該目標(biāo)值下的腐蝕率0.21 mm/a。通過與藥劑供應(yīng)商探討，及時(shí)調(diào)整弱酸性結(jié)垢下分散劑的成分，有效地將腐蝕率控制在0.135 mm/a。通過對(duì)pH、腐蝕率的綜合調(diào)整，開車運(yùn)行18個(gè)月實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沉降槽2塊碳鋼掛片表面無(wú)腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象，掛片重量無(wú)明顯變化。

(3)為解決渣水系統(tǒng)固體含量高導(dǎo)致部分設(shè)備、管道中煤泥堵塞嚴(yán)重的問題，首先通過運(yùn)行管理調(diào)整進(jìn)行解決。提高了激冷水循環(huán)量(提升至設(shè)計(jì)值的130 %)，對(duì)易堵部位建立了完善的運(yùn)行監(jiān)控機(jī)制，及時(shí)通過負(fù)荷調(diào)整消除堵塞現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)易磨損部位進(jìn)行了材料研究，使用新型材料替代原設(shè)計(jì)的材料。此外，通過與專利提供商的合作，開始著手對(duì)渣水系統(tǒng)進(jìn)行流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從根本上解決渣水系統(tǒng)固體含量高的問題。上述主要措施的實(shí)施，大大提高了渣水系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，基本杜絕了由于渣水系統(tǒng)造成的氣化爐停車，提升了氣化爐的運(yùn)行周期。

經(jīng)過上述技術(shù)優(yōu)化，灰水系統(tǒng)排水量降到遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。設(shè)計(jì)值為83 t/h(兩臺(tái)爐運(yùn)行)，實(shí)際外排污水量(系統(tǒng)內(nèi)其他冷凝液不計(jì)入)為60 t/h。

1.5 節(jié)能降耗技術(shù)創(chuàng)新

天溪公司航天爐裝置運(yùn)行以來(lái)，通過一系列的研究，已完成了下列技術(shù)創(chuàng)新：

(1)將高閃閃蒸汽(原設(shè)計(jì)為火炬排放)回收至磨煤系統(tǒng)燃燒。降低了煤層氣的使用量，磨煤成本下降1.4 元/t。

(2)將系統(tǒng)伴熱冷凝液、汽包排污水回收至渣水系統(tǒng)除氧器，降低了除氧器的蒸汽使用量，減少低壓蒸汽使用量2 t/h。

(3)將氣化爐副產(chǎn)蒸汽減壓回收至裝置的低壓蒸汽管網(wǎng)(原設(shè)計(jì)回收至中壓蒸汽管網(wǎng)，由于副產(chǎn)蒸汽的飽和度不夠，只能現(xiàn)場(chǎng)放空)，降低了低壓蒸汽使用量5 t/h。

1.6 環(huán)保措施

(1)對(duì)裝置內(nèi)的5臺(tái)粉煤袋式過濾器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，同時(shí)對(duì)粉煤的泄壓放空進(jìn)行相應(yīng)改造。改造后極大地降低了布袋的損壞率，現(xiàn)場(chǎng)放空粉塵含量明顯降低，杜絕了放空氣冒黑煙現(xiàn)象。

(2)對(duì)濕渣的排放運(yùn)輸進(jìn)行改造，增設(shè)高頻脫水篩，撈渣機(jī)撈出的濕渣水分從50%降低至15%，極大地改善了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，在濕渣的運(yùn)輸過程中基本沒有黑水和灰渣外流，提高了運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定性和清潔性。

2 結(jié)果與討論

天溪全燒“三高”劣質(zhì)無(wú)煙煤的航天爐裝置通過運(yùn)行技術(shù)的不斷優(yōu)化調(diào)整，在技術(shù)穩(wěn)定性上與國(guó)內(nèi)其他成熟的氣流床氣化技術(shù)相當(dāng)，裝置整體運(yùn)行穩(wěn)定，以下運(yùn)行參數(shù)要優(yōu)于其他裝置。

(1)磨煤系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況要優(yōu)于國(guó)內(nèi)同等規(guī)模裝置。該系統(tǒng)設(shè)備選型、工藝運(yùn)行參數(shù)均對(duì)可磨系數(shù)很低的無(wú)煙煤做了充分準(zhǔn)備，粉煤粒徑指標(biāo)在綜合考慮可磨性指數(shù)的情況下，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

(2)氣化系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)其他氣流床技術(shù)相當(dāng)，自動(dòng)化程度高，爐況穩(wěn)定可靠，受“三高”煤特性影響，在氧耗、原煤耗等指標(biāo)上要高于其他氣流床氣化裝置，但是由于“三高”煤價(jià)格低廉，其綜合的經(jīng)濟(jì)效益仍略優(yōu)于其他氣化裝置。主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表3。

表3 天溪裝置與其他航天爐裝置的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

(3)渣水系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況均要優(yōu)于采用激冷流程的氣流床氣化裝置。從表4中各項(xiàng)水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)的分析對(duì)比[8]可以看出，天溪裝置的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在國(guó)內(nèi)均處于領(lǐng)先水平，而且由于煤質(zhì)特性所決定的，使得整個(gè)渣水系統(tǒng)為弱酸性，通過良好的水質(zhì)管控，不但使得系統(tǒng)幾乎不存在腐蝕現(xiàn)象，而且有效地抑制了系統(tǒng)的結(jié)垢速率。

表4 天溪裝置與其他航天爐裝置的主要水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比

綜上所述，天溪公司的航天爐全燒“三高”劣質(zhì)無(wú)煙煤項(xiàng)目取得了很大的技術(shù)進(jìn)步，在國(guó)內(nèi)的氣流床氣化技術(shù)中處于領(lǐng)先水平，具有很好的劣質(zhì)煤潔凈化利用的示范意義。

3 結(jié) 語(yǔ)

天溪公司航天爐裝置在無(wú)煙煤的氣化利用上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效運(yùn)行，在國(guó)內(nèi)的航天爐裝置尚屬首次，在國(guó)內(nèi)的氣流床裝置也處于領(lǐng)先水平，而且天溪裝置使用“三高”劣質(zhì)煤，不僅為晉煤集團(tuán)的無(wú)煙煤潔凈化利用找到了出路，而且為山西省乃至全國(guó)的劣質(zhì)煤潔凈化利用起到了很好的示范作用。

現(xiàn)階段由于煤炭消費(fèi)帶來(lái)的環(huán)境污染的壓力越來(lái)越大[9]，國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，因此煤炭消費(fèi)必須走潔凈化利用的道路。當(dāng)前的氣流床裝置多半采用褐煤。褐煤由于其高揮發(fā)分和良好的反應(yīng)活性一直被視為最合適的氣流床氣化技術(shù)煤種，但使用褐煤的氣流床氣化技術(shù)的渣水系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重[10]，幾乎所有裝置的外排水量均要高于設(shè)計(jì)值才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。而無(wú)煙煤的煤質(zhì)特性決定了其渣水系統(tǒng)的水質(zhì)特征，在日趨嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)下，無(wú)煙煤能成為替代褐煤作為氣流床氣化技術(shù)煤種的良好選擇。